大跨度特殊地質條件下洞室群快速開挖技術研究與運用

金懷鋒

(云南省能源投資集團有限公司， 云南 昆明 650200)

大跨度特殊地質條件下洞室群快速開挖技術研究與運用

金懷鋒

(云南省能源投資集團有限公司， 云南 昆明 650200)

烏東德水電站右岸導流隧洞跨度大、開挖斷面大、地質條件差、工期緊，本文通過研究解決工程中出現的各種技術難題，總結出一套大跨度特殊地質條件下洞室群快速開挖支護方法，供類似工程借鑒。

烏東德水電站； 大跨度； 洞室群； 快速開挖

烏東德水電站，是金沙江下游河段規劃建設的4個梯級水電站中最上游的梯級電站，壩址右岸屬云南省昆明市祿勸縣，左岸屬四川省會東縣[1]。烏東德水電站施工導流采用河床一次攔斷全年圍堰、隧洞導流的方式，共布置5條導流隧洞，其中左岸布置2條，右岸布置3條，5條導流隧洞總長8091.5m。右岸3條導流隧洞按“兩低一高”平行布置，右岸3～5號導流洞長度分別為1472.37m、1613.60m、1699.62m。本文依托烏東德水電站右岸3～5號導流洞開挖支護工程，針對導流洞大跨度特殊地質條件下洞室群快速開挖技術進行全面深入的研究，總結出一套復雜地質條件下隧洞安全、優質、快速、合理開挖的施工技術。

1 大跨度特殊地質條件洞室群開挖現狀及意義

國內水電站不良地質洞段大多為不超過百米級的斷層及其斷層影響帶，多數施工歷時3～5個月，大多采取“超前錨桿+鋼支撐”、穩打穩扎、安全穩妥開挖支護通過，其經濟性有待考究，不良地質洞段頂拱開挖方法除小灣電站導流隧洞采用了全斷面開挖支護外，大多采用中導洞或留核心土開挖的方法[2-3]。

烏東德水電站導流洞不良地質洞段開挖長度近900m，開挖斷面最大尺寸為27.90m×30.30m，其大跨度居國內前列，該工程具有洞段長、洞徑高、跨度大、易破碎、斷面巖性不一、復雜多變的地質圍巖等特點，開挖支護工期緊張僅為21個月，且外圍施工條件復雜。在國內像這樣復雜多變的特殊地質條件下大斷面洞室開挖無規范可循。因此，研究大型地下洞室在開挖期和運行期的圍巖穩定性，保證隧洞在施工和運行期有足夠的安全性，形成一套完整、成熟的施工技術，是一個極其重要的課題，對地下工程施工技術的發展將起到極大的推動作用。

2 主要技術性能指標及難點與創新點

2.1 主要技術性能指標

右岸導流洞巖石松散破碎，自穩能力差，不良地質洞段連續最長達884.37m，3號、4號導流隧洞開挖標準斷面19.90m×27.20m(寬×高)，其中漸變段最大開挖斷面為27.9m×30.30m(寬×高)，3號、4號導流洞巖柱隔墻距離26.10m，最小隔墩僅13.77m，小于洞徑。

右岸導流洞大斷面Ⅳ2類圍巖不良地質洞段頂拱全斷面一次開挖支護、半幅或中導洞開挖支護，整體成型效果較好；頂拱層開挖采用“超前錨桿或超前小導管、無蓋重固結灌漿”進行超前預支護，中下層開挖采用“超前斜孔固結灌漿+超前錨桿”預支護，保證開挖面成型效果；不良地質洞段頂拱采用“Ⅰ20b鋼支撐、預應力錨桿、模噴混凝土及無蓋重灌漿”聯合支護，增加了頂拱部位自穩能力；中下層邊墻采用“錨索、預應力錨桿及錨筋樁”進行加強支護，減少了大斷面高邊墻變形，保證了導流隧洞施工期穩定。

在技術支持上，采用數值計算與現場監測相結合方法。

2.2 技術難點

右岸3號～5號導流洞上游段工程具有洞徑高(最高30.30m)、跨度大(最高27.90m)、相隔近(最近26.10m)，特殊地質段巖層極薄、散粒狀、同一斷面內巖性不一、圍巖復雜多變、特殊地質段較長，開挖施工過程的安全問題尤為突出。

地質情況復雜，巖石完整性較差，屬Ⅳ類圍巖，如何選擇合理的開挖程序確保大跨度洞室、三大洞室隔墩安全與穩妥開挖；在不良地質洞段長、洞徑最高、跨度大、易破碎、斷面巖性不一、復雜多變以及開挖支護工期緊張條件下，要保證頂拱成型效果，減少地質超挖。

導流洞巖層走向與洞軸線成小角度相交、傾向左壁(靠江側)，巖體中微裂隙發育，巖體極為破碎，多呈散粒體狀結構，手捏易碎，而且兩洞間圍巖隔墻厚26.10～30.10m，開挖過程中要保證導流洞之間中隔墻穩定；要減小開挖爆破對圍巖的擾動，確保開挖期間的圍巖穩定，合理選擇開挖爆破參數；頂拱開挖過程中出現地質超挖，造成鋼支撐與巖石面存在大量空腔，須保證空腔部位頂拱開挖面穩定，避免二次坍塌以及空腔處理。

導流洞下挖過程中頂拱應力調整，造成頂拱部位鋼支撐外噴混凝土脫落，須保證洞內施工人員及設備安全；導流洞內錨桿、錨索及錨筋樁布置比較密集，而且施工過程中根據地質及圍巖變形情況不斷調整支護方案，須保證后續支護施工不對已完成的錨索及錨筋樁造成損壞。

2.3 技術創新點

工程具有洞段長、洞徑高、跨度大、圍巖極薄、散粒狀、易破碎、巖性不一等特點，采用多種開挖方法、多種支護型式，確保隧洞隔墻穩定，按期完成開挖支護。

頂拱地質塌方部位鋼支撐空腔采用“模噴混凝土”工藝，即先在鋼支撐外空腔部位設置免拆快易收口模板作復拱，然后，噴混凝土或澆筑混凝土回填密實，并進行無蓋重固結灌漿，以空腔密實確保圍巖穩定；在隧洞頂拱安裝GPS2型隧洞防護網作安全防護網，并采用U形卡與錨桿連接，以確保下層開挖安全。

摻聚丙烯粗纖維代替摻鋼纖維進行噴混凝土，減少噴混凝土回彈量，減少設備磨損、堵管，延長設備壽命，節約投資及成本。

3 工程實踐與應用

3.1 開挖支護方案選擇

3.1.1 頂層主要開挖方法

頂層開挖方法選擇，主要根據工程地質、水文條件及施工安全系數等綜合因素，右岸上游段主要采用“超前小導管+鋼支撐”全斷面開挖、“中導洞超前勘探、全斷面+鋼支撐”擴挖跟進、“半洞錯距+鋼拱架(鋼支撐)”三種方法進行開挖[4]。

頂層開挖層高為9m，選用鉆爆臺車配手風鉆鉆爆，按“弱爆破或機械無爆破、短進尺、勤支護”的原則施工，先系統支護，再加強支護。應急加強支護施工中不斷優化調整開挖支護方案，以保施工安全(3號、4號導流隧洞典型開挖分層見圖1，5號導流隧洞典型開挖分層見圖2)。

a. 3號導流隧洞。0+000～0+100m為進口岸坡段，考慮先洞后墻開挖，采用“先挖7m×6m中導洞超前勘探，全斷面+鋼支撐擴挖開挖跟進”的開挖方式；0+100～0+195m主要考慮施工資源配置，采用先右側邊導洞后左半洞的“半洞錯距+鋼拱架”開挖方式，并在左半洞臨時增加法向鎖口錨桿；30+195～0+300m前方出現塌方情況采用“超前小導管+鋼支撐”全斷面開挖； 0+300～0+831.595m主要考慮圍巖自穩能力、施工隊伍技能情況，采用先右側邊導洞后左半洞的“半洞錯距+鋼拱架”開挖方式。

b. 4號導流隧洞。0+000～0+170m采用“先挖7m×6m中導洞超前勘探，全斷面+鋼支撐擴挖跟進”的開挖方式； 0+170～0+390m采用“超前小導管+鋼拱架”全斷面開挖；0+390～884.374m采用先右邊導洞后左半洞的“半洞錯距+鋼拱架”開挖方式。

c. 5號導流隧洞。5號導流隧洞由于開挖斷面(14.80m×18.60m)比3號、4號導流隧洞(19.90m×27.30m)相對較小， 0+000～0+050m采用“先挖7×6m中導洞超前勘探，全斷面+鋼支撐擴挖跟進”開挖方式；0+050～1+051.652m采用“中導洞超前全斷面”開挖。

3.1.2 中下層開挖方法

中下層開挖方法選擇主要根據地質構造巖層走向、施工通道、作業隊伍技能等因素綜合考慮選擇，右岸導流隧洞上游段主要采用半幅錯距開挖和中間拉槽預留保護層開挖兩種方法[5]。根據各洞段地質情況，中層、下層開挖分層高度有所不同，基本分層為4.50m、6 m兩個層高，具體的開挖方法選擇如下：

a. 3號、4號導流隧洞。3號導流洞0+000～0+300m共分5層開挖，中下層Ⅱ～Ⅴ層開挖高度均為4.50m，Ⅴ層開挖高度為4.70m；0+300～0+831.595m分4層開挖，Ⅱ層、Ⅲ層開挖高度均為6m，Ⅳ層開挖高度為6.20m。

4號導流洞0+000～0+390m共分5層開挖，中下層Ⅱ～Ⅴ層開挖高度均為4.50m，Ⅴ層開挖高度為4.70m；0+390～0+884.374m共分4層開挖，Ⅱ層、Ⅲ層開挖高度均為6m，Ⅳ層開挖高度為6.20m。

3號、4號導流洞中下層開挖先進行了中間拉槽預留保護層開挖生產性試驗，但因圍巖破碎開挖效果不理想，后來均調整為半幅(錯距)開挖，開挖過程中多次降坡改路，優先右半幅采用手風鉆造水平爆破孔開挖，按設計輪廓線進行周邊光爆(局部洞段反鏟機械無爆破開挖)，一排炮一支護，循環進尺按2.0m控制，以確保施工安全。

b. 5號導流隧洞。5號導流洞0+000～0+620m共分3層開挖，Ⅱ層、Ⅲ層開挖高度分別為4.50m、5.10m；0+620～1+051.652m共分2層開挖，Ⅱ層開挖高度為9.60m。

5號導流洞中層、下層0+000～0+620m采用半幅(錯距)開挖，0+620～1+051.652m一次性開挖至底板，采用手風鉆造水平爆破孔開挖，按設計輪廓線進行周邊光爆。支護緊跟，循環進尺按2.0m控制。

3.2 因地制宜，及時支護

右岸3～5號導流隧洞支護除設計系統支護條件外，增加了鋼支撐、預應力錨桿、超前錨桿、超前小導管、無蓋重固結灌漿等加強支護措施[6]。

4 基于施工過程仿真的數值分析

4.1 數值分析的目的和意義

通過數值分析方法，主要對右岸導流隧洞上游段圍巖的開挖、支護過程進行數值仿真分析，有助于了解圍巖穩定和襯砌支護的力學特性，研究施工期應力、位移和內力的大小和分布，為右岸導流隧洞上游段提出一系列性能評價方法和增強結構安全的工程措施，為設計、施工提供指導[7-8]。

4.2 3號、4號導流洞施工期有限元模型

利用FLAC3D軟件局部模擬3號、4號和5號導流隧洞，采用六面體單元劃分網格，共計剖分169623個單元和174624個節點，見圖3。

4.3 有限元分析結論

3號洞右邊墻中下部和4號洞左邊墻中上部的穩定性較差，對洞間巖柱的穩定產生不利影響，應充分重視并做好上述邊墻部位的監測、支護和局部掉塊加固工作，從而限制邊墻局部失穩并向深部發展，保障洞間巖柱的穩定性，也避免因洞群效應而引發鄰近洞室的失穩。

各洞室均是邊墻中部及中上部臨空面的部位圍巖變形較大，且大部分變形均在距開挖面5m深的范圍內發生?？紤]到圍巖淺表層變形很大，可能會出現局部垮塌，因此建議在洞室繼續下挖過程中，將上述部位作為圍巖監測的重點部位，并及時做好新出露開挖面的錨噴支護和灌漿加固工作，降低圍巖松弛范圍并限制其向深部進一步發展。

考慮到位移監測手段僅能獲得監測范圍內的圍巖變形數據，而無法有效掌握開挖卸荷作用下的巖體結構特征和巖體完整性指標。計算分析揭示，3號洞和4號洞之間的洞間巖柱穩定性對3號洞和4號洞都具有控制性影響，因此建議盡快對該部位增加聲波測試、鉆孔攝像等必要的檢測手段，從而更加全面地了解圍巖性狀和穩定狀態，為后續開挖和反饋分析提供必要資料。

5 施工安全監測

電站導流隧洞開挖斷面大，地質條件復雜，技術難度大，在施工全過程中，各種施工手段輔以安全監測支持，以此指導施工。通過安全監測(見圖4)，及時掌握洞室及其周圍環境的動態變化，相應調整開挖程序，增加支護措施，并預測其變化趨勢，保證了工程的安全、優質、快速施工，為圍巖工程建設提供成功經驗。

6 結 論

烏東德水電站右岸導流隧洞頂層采取“中導洞全斷面、半洞錯距開挖”，在地質塌方部位鋼支撐空腔采用“模噴混凝土”、摻聚丙烯粗纖維代替摻鋼纖維噴混凝土、無蓋重固結灌漿，預應力錨桿，隔墩加對穿錨索，在隧洞頂拱安裝GPS2型隧洞防護網作安全防護網等工藝及措施，實現了復雜特殊地質條件下大跨度特長隧洞洞室群快速、安全、優質開挖支護，監測數據表明圍巖處于穩定狀態，降低了安全風險，節約了工程投資，可供類似工程借鑒施工，對推動流域梯級開發進程，具有深遠的社會意義。

[1] 王凱元.金沙江川滇交界段構造-地貌特征[J].云南地質，1989(1)：1-10.

[2] 文天平，楊黎明.不良地質隧道洞口段的施工技術[J].世界隧道，2000(3):8-12.

[3] 陳安平.不良地質隧洞快速施工研究——以克林隧洞工程為例[D].南寧:廣西大學,2005.

[4] 張根才.全斷面隧洞掘進機(TBM)在萬家寨引黃工程不良地質段中的施工[J].水利建設與管理,2007(10)：19-20.

[5] 胡書紅.龍灘水電站左岸導流洞工程快速施工風險及方案分析[D].北京:中國地質大學(北京),2008.

[6] 付紅波，李秋玲.烏東德水電站導流洞不良地質洞段開挖支護施工技術[J].西北水電,2013(5):32-36.

[7] 張國強.水電站地下廠房洞室群施工數值仿真[D].大連:大連理工大學，2007.

[8] 畢磊.基于不確定性分析的地下洞室群施工進度仿真分析與優化研究[D].天津:天津大學，2015.

Research and application of cavern group rapid excavation technology under large span special geological conditions

JIN Huaifeng

(YunnanEnergyInvestmentGroupCo.,Ltd.,Kunming650200,China)

Diversion tunnels on the right bank of Wudongde Hydropower Station are characterized by large span, large excavation section, poor geological condition and short construction duration. In the paper, all technical difficulties in the project are solved through study. A set of cavern group rapid excavation supporting methods under large span special geological conditions is summarized as reference for similar projects.

Wudongde Hydropower Station; large span; cavern group; rapid excavation

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.04.003

TV554

A

1005-4774(2017)04- 0008- 05